Dans le cadre du projet Cigéo de l’ANDRA pour le stockage souterrain des déchets radioactifs dans les argilites du Callovo-Oxfordien, un réseau de fractures est généré autour des galeries lors du creusement. Cette fracturation présente un profil de propagation en mode mixte I/II typique, qui résulte de la décharge instantanée des argilites. La topologie et l’étendue spatiale du réseau de fractures induit ont été largement étudiées par l’ANDRA autour des ouvrages du Laboratoire Souterrain de Meuse/Haute-Marne (LSMHM). Sur le long terme, ce réseau de fractures est par ailleurs amené à subir une sollicitation supplémentaire par les gaz (H2) principalement issus de la corrosion des éléments métalliques du stockage (ferraillages des galeries et des alvéoles MA-VL, chemisage des alvéoles et colis HA, etc.) ainsi que de la radiolyse de l’eau. L’accumulation de ces gaz induit une pressurisation pouvant affecter la zone fracturée. L’ANDRA conduit des études des risques associés à la pressurisation du gaz. Notamment, des essais de fracturation au gaz ont été réalisés dans des forages creusés dans le LSMHM. L’analyse de ces essais nécessite de disposer d’une modélisation à même de prédire la réponse d’un milieu poreux fracturé sous sollicitation de gaz, ce qui implique en particulier de coupler la migration de gaz dans un milieu non-saturé et la réponse poro-mécanique du milieu avec la propagation de fissures. L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier les conditions de cette fracturation au gaz par des analyses théoriques physico-mécaniques et par la simulation numérique en tenant compte des couplages hydromécaniques (HM) non-saturés avec la roche et les fractures. Ce travail s’appuie sur des données fournies par l’ANDRA et sur des outils numériques existants en particulier le code Disroc dans lequel ont pu être définis les modèles de couplages nécessaires à cette analyse.

Nous avons développé un modèle biphasique qui prend en compte la compressibilité de la phase gazeuse. Nous avons rappelé les principaux concepts de la modélisation des fractures non-saturées dans un milieu poreux, et nous avons considéré tous les mécanismes mécaniques et de transport impliqués. La masse rocheuse autour de la galerie est un milieu poreux dans des conditions non-saturées, c’est-à-dire rempli d’un mélange de liquide (eau) et de gaz (air). Le flux d’hydrogène peut se produire par diffusion dans la phase gazeuse ou par dissolution et advection dans la phase liquide. On s’intéresse dans ce travail au comportement du milieu poreux à la fois sur le plan mécanique et sur le plan hydraulique. Nous avons d’abord effectué une revue bibliographique centrée sur les principaux phénomènes de migration de gaz identifiés dans l’argilite. Par la suite, nous avons formulé le problème biphasique, liquide-gaz, non-saturé pour la matrice poreuse, le liquide étant dans notre cas l’eau et le gaz, l’hydrogène. Pour ce faire, nous avons introduit les équations d’écoulement biphasique à partir des équations de conservation de l’eau et de l’hydrogène. En intégrant les lois de Fick et de Darcy, cela a permis d’établir le système complet des équations d’écoulement biphasique. Le même processus a été appliqué aux fractures : nous avons établi les équations d’écoulement biphasique non-saturé dans les fractures en écrivant les équations de conservation de l’eau et de l’hydrogène et de l’écoulement en fonction des grandeurs adaptées aux fractures. Cette étude emploie le modèle de zone cohésive pour la modélisation de la propagation des fractures. Les résultats ont été
validés par comparaison avec des solutions semi-analytiques pour des cas simples, confirmant le bon accord avec les principes de la mécanique des fractures.

Nous avons fait une première analyse de sensibilité pour déterminer les paramètres les plus importants contrôlant l’écoulement ainsi que l’ordre de grandeur de la contribution de chaque phénomène (diffusion, advection) au transport global de l’hydrogène dans différents régimes. Nos simulations numériques considèrent un milieu poreux fracturé avec la possibilité d’écoulement à la fois dans les fractures et dans la matrice poreuse et avec un échange de masse entre eux. Nous avons validé les implémentations des équations dans nos simulations 2D avec le code aux éléments finis Disroc en réalisant deux benchmarks avec le code FEniCS pour des écoulements biphasiques dans la matrice rocheuse et dans la fracture.

Dans le cadre du projet Cigéo de l’ANDRA, cette étude examine comment les fractures existantes autour d’une galerie, créées par l’excavation, peuvent être réactivées et propagées sous l’effet d’une augmentation de la pression de gaz. Ces simulations prennent en compte les contraintes in-situ et l’anisotropie élastique des matériaux pour différentes géométries de fractures autour de la galerie, qui sont représentatives de la zone fracturée induite par l’excavation pour deux orientations, parallèle et perpendiculaire à la contrainte horizontale majeure. Cette étude est centrée sur l’examen de scénarios pertinents concernant le stockage à long terme des déchets radioactifs. Pendant les processus de pressurisation de gaz, nous nous concentrons principalement sur l’étude des phénomènes d’écoulement multiphasique et leur couplage avec la mécanique de la matrice rocheuse et en particulier avec la réactivation des fractures. Nous avons modélisé la diffusion progressive du gaz dans la formation géologique et déterminé les conditions critiques de propagation des fractures autour de la galerie. Nous avons également analysé l’impact de divers scénarios d’évolution de la pression de gaz sur la vitesse de propagation des fractures. D’après les résultats, dans les conditions de production de gaz et d’évolution de la pression prévues par l’ANDRA, aucune réactivation de fracture n’est constatée. Nous avons constaté que sous une sollicitation plus importante, la fracturation se produit lorsque la pression de chargement excède la contrainte in-situ orthogonale à la fracture, et la vitesse de propagation augmente avec la pression de gaz imposée. La pression critique de propagation reste nettement supérieure à la pression maximale estimée actuellement dans le stockage à long terme (7-8 MPa). Nous avons aussi analysé l’effet de l’anisotropie des contraintes et de matériau sur la direction et sur la longueur de propagation des fractures. L’analyse de ces mécanismes physiques complexes est impérative pour garantir la capacité de confinement et la sûreté à long terme du stockage. Cette recherche a permis également de mieux comprendre les contributions des couplages poro-mécaniques à la propagation des fractures sur différentes échelles de temps.